C++初阶 —— vector类

已于 2024-11-12 09:16:53 修改
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分类专栏： # C++ 编程语言 文章标签： c++
于 2021-11-17 00:28:55 首次发布
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本文详细介绍了C++标准模板库中的vector容器，包括其特点、构造函数、迭代器使用、容量操作、元素增删查改等功能，并探讨了迭代器失效问题及vector的模拟实现。

摘要生成于 C知道 ，由 DeepSeek-R1 满血版支持， 前往体验 >

目录

一，标准库中的vector类模板

二，vector类的常用接口

构造函数

容量操作函数

访问及遍历操作函数

增删查改

迭代器失效问题

三，vector深度剖析及模拟实现

一，标准库中的vector类模板

vector类模板

  • vector表示可变大小数组的序列容器，类似string也是利用动态数组实现的；
  • vector可使用下标对元素进行访问，和数组一样高效；但又不像数组，其大小是可以动态变动的（大小会被容器自动处理）；
  • 新插入元素时，可能需重新分配数组大小，以增加存储空间；其原理为分配一个新数组，并将全部元素移到新数组；这是一个相对代价高的任务，因此每个新元素加入，vector并不会每次都重新分配大小；
  • vector会分配一些额外的空间以适应可能的增长，不同的库采用不同的策略权衡空间的使用和分配；但无论如何，重新分配都应该是对数增长的间隔大小，以至于在末尾插入元素时是在常数时间的复杂度完成；
  • 与其他动态序列容器相比（deques, lists and forward_lists），vector在访问元素时更加高效，在末尾添加和删除元素时相对高效；对于其他不在末尾的删除和插入，效率较低；比起lists和forward_lists，缺乏统一的迭代器和引用；

注：在使用vector类时，必须包含#include<vector>头文件及using namespace std；

二，vector类的常用接口

构造函数

  • vector()，无参构造；
  • vector(size_type n, const value_type& val=value_type())，构造并初始化n个val；
  • vector(const vector& x)，拷贝构造；
  • vector(inputlterator first, inputiterator last)，使用迭代器进行初始化；
int main()
{   
    vector<int> v; //(1)默认无参构造

    vector<int> v1(4); //(2)创建4个元素，默认值为0；
    vector<int> v2 = (vector<int>)4; //(2)有关键字explicit修饰，无法隐式转化int->vector<int>
    vector<int> v3(4, 10); //(2)创建4个元素，值指定为10

    vector<int> v4(v1); //(4)拷贝构造
    vector<int> v5(v1.begin(), v1.end()); //(3)迭代器初始化，数据类型要匹配

    //(6)列表初始化C++11
    vector<int> v6{ 1,2,3,4 };
    vector<int> v7 = { 1,2,3,4 }; //与v6等价
}

容量操作函数

size获取数据个数；
capacity获取容量大小；
resize改变vector的size；
reserve改变vector的capacity；
empty判断是否为空；
clear清空有效字符，size为0，capacity不变；
int main()
{
	vector<int> v(4, 10); 
	cout << v.size() << " " << v.capacity() << endl;

	v.reserve(10);
	cout << v.size() << " " << v.capacity() << endl;

	v.resize(20);
	cout << v.size() << " " << v.capacity() << endl;

	cout << v.empty() << endl;
	return 0;
}

访问及遍历操作函数

operator[]访问指定元素，像数组一样；
at访问指定元素，会边界检查，超出会抛异常；
front访问第一个元素，如容器为空将导致未定义行为；
back访问最后一个元素，如容器为空将导致未定义行为；
begin+end获取第一个数据位置的iterator/const_iterator，
获取最后一个数据的下一个位置的iterator/const_iterator；
rbegin+rend获取最后一个数据位置的reverse_iterator，
获取第一个数据的前一个位置的reverse_iterator；
int main()
{
	vector<int> v{1,2,3,4}; //列表初始化

	for (size_t i = 0; i < v.size(); i++)
	{
		cout << v[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	//迭代器
	vector<int>::iterator it = v.begin(); //或auto it = v.begin();
	while (it != v.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	for (auto i = v.rbegin(); i != v.rend(); i++)
		cout << *i << " ";
	cout << endl;

	//范围for
	for (auto i : v)
	{
		cout << i << " ";
	}
	return 0;
}

增删查改

push_back尾插；
pop_back尾删；
assign赋新值以替代当前值；
insert在pos位置前插入元素；
erase删除pos位置的元素，或连续元素[first,last)；
swap交换两vector的数据空间，两vector对象都会改变，有同名的非成员函数；
find查找(算法模块实现，不是vector的成员接口)；
int main()
{
	vector<int> v(4, 10);
	vector<int> v2(2, 3);
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.pop_back();
	v.insert(v.begin(), 1);
	v.insert(v.begin(), 5, 2);
	v.erase(v.begin());
	v.erase(v.begin(), v.begin() + 5);
	v.swap(v2);
	swap(v, v2);
	find(v.begin(), v.end(), 2); //算法模块实现的，返回迭代器
	sort(v.begin(), v.end());
	return 0;
}

迭代器失效问题

        迭代器的主要作用，就是让算法能够不用关心底层数据结构（其底层实际是指针，或是对指针进行了封装），如vector的迭代器就是原生指针T*；因此迭代器失效，实际就是迭代器底层对应指针所指向的空间被销毁，而使用一块已经被释放的空间，程序会崩溃；

可能导致迭代器失效的操作：

  • 会引起底层空间改变的操作，都有可能使迭代器失效，如resize、reserve、insert、assign、push_back等；
  • 指定位置元素删除操作erase；

注：在使用前，对迭代器重新赋值即可解决迭代器失效的问题；

int main()
{
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

	auto pos = find(v.begin(), v.end(), 2);
	if (pos != v.end())
	{
		v.insert(pos, 20);
        //或 v.erase(pos);
	}
	//insert导致增容，pos任指向原释放的位置，迭代器失效
	//即使没有增容，依然认为迭代器失效，因为意义改变了，不在指向原来的值
    //但g++没有报错，检查环境不一样
    //失效后，不要*pos访问，会出问题；
	cout << *pos << endl;
	*pos = 10;
	return 0;
}

三，vector深度剖析及模拟实现

namespace myvector
{
	template<class T>
	class vector
	{
	public:
		typedef T* iterator;
		typedef const T* const_iterator;
		iterator begin() { return _start; }
		iterator end() { return _finish; }
		const_iterator begin()const { return _start; }
		const_iterator end()const { return _finish; }

    private:
		iterator _start; //起始位置；
		iterator _finish; //size()位置，即末尾的下一个位置；
		iterator _endofstorage; //capacity()位置，即最后一个位置之后的位置；

	public:
		vector()
			:_start(nullptr)
			,_finish(nullptr)
			,_endofstorage(nullptr)
		{}

		//InputIterator表示不仅限于iterator
		template <class InputIterator>
		vector(InputIterator first, InputIterator last)
			: _start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back(*first);
				++first;
			}
		}
		//传统写法1
		//vector(const vector<T>& v) //或vector(const vector& v)
		//{
		//	_start = new T[v.capacity()];
		//	memcpy(_start, v._start, sizeof(T) * v.size());
		//	_finish = _start + v.size();
		//	_endofstorage = _start + v.capacity();
		//}
		//传统写法2(推荐)
		//vector(const vector<T>& v)
		//	:_start(nullptr)
		//	, _finish(nullptr)
		//	, _endofstorage(nullptr)
		//{
		//	reserve(v.capacity());
		//	for (const auto e : v)
		//	{
		//		push_back(e);
		//	}
		//}
		//现代写法
		vector(const vector<T>& v)
			:_start(nullptr)
			, _finish(nullptr)
			, _endofstorage(nullptr)
		{
			vector<T> tmp(v.begin(), v.end());
			swap(tmp);
		}
		 
		//传统写法
		//vector<T>& operator=(const vector<T>& v)
		//{
		//	if (this != &v)
		//	{
		//		delete[] _start;
		//		_start = _finish = _endofstorage = nullptr;
		//		reserve(v.capacity());
		//		for (const auto e : v)
		//		{
		//			push_back(e);
		//		}
		//	}
		//	return *this;
		//}
		//现代写法
		vector<T>& operator=(vector<T> v)
		{
			swap(v);
			return *this;
		}

		~vector()
		{
			delete[] _start;
			_start = _finish = _endofstorage =  nullptr;
		}

    //******************************************************
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > capacity())
			{
				size_t sz = size();
				T* tmp = new T[n];
				memcpy(tmp, _start, sizeof(T) * sz); //不安全

                delete[] _start;
				_start = tmp;
				_finish = _start + sz;
				_endofstorage = _start + n;
			}
		}

		void resize(size_t n, const T& val = T())
		{
			if (n <= size())
				_finish = _start + n;
			else
			{
				if (n > capacity())
					reserve(n);
				while (_finish < _start + n)
				{
					*_finish = val;
					++_finish;
				}
			}
		}

		T& operator[](size_t i)
		{
			assert(i < size());
			return _start[i];
		}
		const T& operator[](size_t i) const
		{
			assert(i < size());
			return _start[i];
		}

		void push_back(const T& x)
		{
			//if (_finish == _endofstorage)
			//{
			//	size_t newcapacity = capacity() ? capacity() * 2 : 4;
			//	reserve(newcapacity);
			//}
			//*_finish = x;
			//++_finish;

			insert(end(), x);
		}
		 
		void pop_back()
		{
			//assert(_finish != _start);
			//--_finish;

			erase(--end());
		}

		iterator insert(iterator pos, const T& val)
		{
			assert(pos >= _start && pos <= _finish);
			if (_finish == _endofstorage)
			{
				size_t len = pos - _start;
				size_t newcapacity = capacity() ? capacity() * 2 : 4;
				reserve(newcapacity);
				pos = _start + len;
			}
			iterator end = _finish - 1;
			while (pos <= end)
			{
				*(end + 1) = *end;
				--end;
			}
			*pos = val;
			++_finish;

			return pos;
		}

		iterator erase(iterator pos)
		{
			assert(pos >= _start && pos < _finish);
			iterator it = pos + 1;
			while (it != _finish)
			{
				*(it - 1) = *it;
				++it;
			}
			--_finish;

			return pos;
		}

		void swap(vector<T>& v)
		{
			std::swap(_start, v._start);
			std::swap(_finish, v._finish);
			std::swap(_endofstorage, v._endofstorage);
		}
		size_t size() const
		{
			return _finish - _start;
		}
		size_t capacity() const
		{
			return _endofstorage - _start;
		}

	};
}

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